福州市琅岐闽江大桥主桥运营健康监测管理

福州市琅岐闽江大桥主桥运营健康监测管理

边巴罗杰1辛纪强2

(1.西藏自治区交通运输综合行政执法总队西藏拉萨850000;

2.西安方舟工程咨询有限责任公司，陕西西安710075)

摘要：福州市琅岐阀江大桥主桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，为确保大桥使用过程安全处于受控状态，对本桥运 行质量实施金方位的在线健康监测，主要采用自动化监测技术，监测结构的承载能力、运营状态和耐久性能等，以满足桥梁设计预定的功能要求。

关键词：主桥；健康监测；管理

中图分类号：F542            文献标识码：A

引言

福州市琅岐闽江大桥主桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，全长1280m,7跨连续结构，跨径组成为(60+90+150+680+150+90+60)m,主跨680m,主塔自承台顶以上塔高223m。设计基准期100a。 为确保大桥使用过程安全处于受控状态，设计对本桥运行质量实施全方位的在线健康监测，采用自动化监测技术。本桥健康监测与状态评估系统完成的主要任务，就是通过一系列手段监测桥梁可能的状态改变，尽早发现结构损伤，并对桥梁结构的改变及损伤进行评估，为桥梁管理养护提出调整、维修或加固建议。

2桥梁运营健康监测管理系统及流程

本桥健康监测系统主要将包括下列4个子系统：传感器子系统；数据采集与传输子系统；数据管理与控制子系统；结构健康预警与评估子系统。本桥健康监测主要流程如下：

(1)重要环境参数及荷载输入，包括：风速、风向、环境温湿度、桥面车辆荷载、地震动及船舶撞击。(2)结构静力响应，包括：结构温度、结构应变、 斜拉索索力、主梁挠度、索塔及主梁空间变位、支座 位移等。

(3)结构动力响应，包括：主梁各特征点振动加速度、主塔振动加速度。

(4)视频监控，包括：桥梁视频安防监控，对大桥的路面交通、突发交通事故和安防情况进行监控。

3健康监测内容及方法

3.1风荷载监测

对于大跨度缆索支撑桥梁，风力荷载是一个重要的外荷载。本桥位处于宽阔水面，且多台风影 响，桥梁将在强风荷载作用下发生较大变形或产生 有害风振。因此需要布设风速风向传感器，以监测 桥址环境风荷载，为相关力学行为分析提供荷载输 入依据。环境风荷载监测采用风速风向仪，对于主塔塔顶，受地面干扰较小，风场基本平稳，主要需要 监测二维平面稳态风，于亭江侧塔顶设置1台采集 频率为1Hz的机械式风速风向仪进行监测。对于 主桥桥面，要考虑桥面对风的扰流效果，于主跨跨 中桥面设置1台采集频率4Hz 的超声波风速风向 仪来监测三维风场。采用连续监测、连续存储方式。

3.2环境温湿度监测

琅岐闽江大桥桥型为半漂浮体系钢箱梁斜拉桥，属于大跨度轻柔结构，温度对结构的变形和受力影响显著,环境温度是重要的荷载源输入；环境 湿度一方面是影响结构的腐蚀、老化的重要因素，另一方面也可能是影响自动化监测系统工作的物理量。因此，环境温度和湿度是最为常规且不可缺少的监测项目。温湿度传感器测点布置于主跨跨中和亭江侧塔顶，全桥共2个测点。温湿度仪采用连续监测、连续存储，采样频率为0.0167Hz(1min    采样1次)。

3.3桥面车辆荷载监测

系统设计采用动态称重系统对桥面车辆荷载进行监测，监测断面布置于靠近主桥伸缩缝的亭江侧引桥桥面，监测车道数为六车道。采用不间断连续运行，触发采样(车辆经过时触发),实时存储。

3.4地震动及船舶撞击监测

地震和船撞对大桥结构而言属突发灾害性外荷载输入，虽然发生概率小，但其产生能量和作用力巨大，往往可对结构造成较大破坏，危及结构安 全运营。因此有必要对其进行有效监测，为事后结构状态评估提供可靠荷载输入和响应依据。本系 统采用三向加速度传感器对地震和船撞突发荷载进行监测。为减少桥面车辆荷载振动的干扰，应选取结构自身振动较小部位布设测点，设计在两主塔墩柱底部各布设1个测点，全桥共2个测点。采用 实时连续监测，数据连续采集，采样频率20Hz, 设置阀值，选择存储。

3.5主梁挠度监测

主梁挠度(线形)是大跨度桥梁结构力学行为 特征的最直观体现之一，同时也是影响桥梁正常使用的重要指标。系统设计采用挠度传感器(压力变送器)对主梁各特征截面挠度进行监测，进而可拟合主梁线形。为了获取主梁线形，在边跨各跨跨中、辅助墩墩顶处、主跨四分点和索塔处主梁各布设一个挠度传感器；为监测主梁的扭转效应，在主跨跨中上、下游侧布设一个挠度传感器，全桥共布设20个。采用连续监测，连续存储方式，采样频率 1Hz。

3.6索塔倾斜变位监测

索塔倾斜变位与主梁挠度，同样是桥梁结构力学行为特征的直观体现，对判断桥梁结构受力状态 具有重要意义。本系统在2个索塔塔顶各布设2个 精密倾角仪对索塔顺桥向和横桥向倾斜变位进行 监测，全桥共4个测点。采用连续监测、连续存储的方式，采样频率1Hz。

3.7索塔及主梁空间变位监测

考虑液位挠度传感系统和基于力平衡的倾角仪动态响应效果欠缺，难以准确监测风以及车辆等 动态荷载引起的结构变形响应，同时无法直接获得 结构三维空间变位情况，为弥补以上不足，系统设

计采用 GPS测量系统，对主梁挠度和索塔偏位进行 动态三维立体监测。全桥GPS 测点共4点，分别布 置于2个索塔顶部、主跨跨中以及基准点。采用不间断连续采集并存储方式，频率0～20Hz 可调。实 际上，根据工程需要和数据可靠性要求，本方案按10Hz设置。

3.8支座位移监测

支座和伸缩缝是满足桥梁变形需求的重要构件，其应能保证主梁在温度变化、车辆冲击、混凝土 徐变与收缩、不均匀沉降等作用下按设计要求自由变形。支座是桥梁结构的力学边界，在交通荷载、温度、混凝土收缩和徐变作用下，支座能适应上部结构的转角和位移，使上部结构可自由变形而不产 生额外的附加内力，其工作状态关系到结构是否按设计边界条件承受各种荷载。伸缩缝还是保证车辆平稳通过桥面的重要构件，由于其直接承受车轮荷载的冲击作用，并且长期暴露在大气中，使用环 境恶劣，是桥梁结构最易损坏而又较难维修的部分。考虑到本桥边界条件特点以及梁端伸缩缝与支座位移的相关性，本系统在梁端和索塔下横梁处各布设一个磁致伸缩仪顺桥向对支座位移进行监测，全桥共4个测点。采用连续监测、连续存储的方式，采样频率1Hz。

3.9结构应变监测

结构应变(应力)是结构整体和局部受力安全状态的直接反应，是监测的重要方面。结合运营期间结构整体和局部计算结果，考虑结构受力特点、既有损伤部位和常见损伤病害易发部位的相关经  验，选择活载作用下效应显著、恒载加活载作用下 安全系数较低和位置有代表性的构件、截面布置测 点，且应变监测为动态监测。设计采用光纤光栅应变传感器对结构动静态应变和钢结构疲劳进行监 测。全桥共设13个应变监测断面：

(1)针对钢箱梁整体(即第一体系)受力状况监测，共设置：辅助墩墩顶、90m 辅助跨跨中、150m 边 跨跨中、中跨1/4L、中跨跨中共11个监测断面，每个断面各布置4个应变测点；

(2)为了集中监测钢箱梁内力横向分布情况和顶板局部疲劳状况(即第二、第三体系),选择主跨1/2L 及琅岐侧1/4L 断面作为代表性断面，进行测点加密，分别布置第二、第三体系加密应变监测测点4个和20个；

(3)为监测桥塔塔柱受力状况，在3*和4*索塔 的上、下游肢塔柱根部断面各布置4个应变测点，即 每个塔布置8个应变测点。

全桥共布置应变测点76个，其中钢箱梁第一体 系监测断面和桥塔监测断面测点采用静态采样，钢箱梁第二、第三体系应变和疲劳监测采用动态高频 采样。采用连续采样、连续存储方式，静应变采样频率1Hz,动应变50Hz～100Hz。

3.10斜拉索索力监测

斜拉索是大跨度斜拉桥主要的受力构件，也是健康监测的重点。一方面它是支撑和传递桥面荷 载的主要途径；另一方面，索力的变化对结构的整 体受力状态有重要影响，反之也是结构受力状态或 安全状况的直接反应。另外，斜拉索在风、雨作用 下，或是在其他作用下，会发生各种不同机制的振 动。有的振动虽然振幅不大，但经常发生；有的振 动虽然发生频率不高，但振幅很大。振动是造成斜 拉索疲劳的主要因素，因此对斜拉索风、雨振等振 动的监测非常重要。本系统采用索力加速度传感 器，既可以监测斜拉索索力，也可监测斜拉索风、雨 振等振动。本系统考虑结构体系的对称性，选取有 代表性的斜拉索布置了28个索力加速度传感器。对拉索加速度信号连续采集，连续存储，采用频谱测法测试索力，振动采样频率为20Hz。

3.11视频监控

大桥视频监控系统可以通过在在索塔、主梁桥面等桥梁关键部位，布置监控测点进行连续监控，捕捉人员侵入和偷盗行为等不法事件；在桥面安装数字高清摄像机，全天候实时监控大桥及沿线的交 通运行状况及桥面交通流量变化，为大桥日常管理及处理突发事故提供参考依据。考虑到大桥交通的特殊性、安全性和重要性，采用全线覆盖的布设方案，视程首尾相接，在主桥的主跨适当加密测点。在主桥主跨的四分点布置监控点，监测桥面交通状况，监控点上、下游对称布置，主跨共布置6台摄像机；在每个索塔布置2个摄像机，用于桥面全景监控；在主桥亭江侧梁端上、下游侧各布置1台摄像机；在亭江侧引桥和琅岐侧引桥各布置2台摄像机，摄像机按300m 间距布置。全桥共布置16台摄像  机。桥面摄像机设置于路灯灯杆上或固定于索塔侧，安装高度为8m～12m,摄像机选用高清网络球  形摄像机。连续实时监控，前端摄像机经光纤收发器进行电-光及光电反变换后接入监控中心进行视频的存储、回放、显示等操作。

4结语

福州琅岐闽江大桥主桥健康监测研究，涉及振动理论、传感技术、系统辨识理论、测试技术、信号分析、处理、数据通信、计算机随机过程和可靠度等多门学科，是一个复杂的系统工程。通过该桥建立一个先进实用的桥梁健康与安全状况监测系统，实时掌握桥梁运营状况，实现大桥服务水准的实时安全报警；合理配置大桥养护维修资源，为降低桥梁运营维护成本提供科学技术依据，保证大桥检查维修策略制订具有针对性、及时性和高效性。

截至目前，大桥健康监测系统运行正常，为大桥安全、健康运营提供了有利的数据支撑，也为特大型桥梁健康监测技术的发展积累了经验意义重大。

参考文献：

[1]  韩大建，谢 峻.大跨度桥梁健康监测技术的近期研究进展[J]. 桥梁建设，2002.

[2]王应军.大型斜拉桥长期健康监测系统的关键技术研 究[D].武汉理工大学，2006.

[3]王 亮.福州市琅岐闽江大桥桥梁健康监测施工图设 计[A].2014.